Введение к работе
Актуальность темы
Существует целый ряд задач современной науки и техники, которые для своего решения требуют создания полупроводниковых излучателей с выходными характеристиками, расширяющими и превосходящими возможности отдельных лазерных диодов (ЛД). Одни из таких задач - повышение выходной мощности и сохранение массогабаритных параметров на уровне традиционных ЛД. Очевидным путем практической реализации таких приборов является создание многоэлементных лазерных излучателей - линеек и решеток лазерных диодов (ЛЛД и РЛД) [1]. Такой подход позволяет повысить выходную мощность, но при этом размеры излучающей апертуры существенно увеличиваются. Альтернативным и перспективным способом уменьшения рабочей апертуры является монолитная интеграция, когда в едином эпитаксиальном процессе создаются гетероструктуры (ГС) с несколькими излучающими областями [2]. Эпитаксиальная монолитная интеграция также открывает путь к объединению нескольких функционально различных компонентов в рамках одного кристалла, например лазер/тиристор, лазер/динистор, лазер/транзистор [3]. Основное преимущество таких ГС - отсутствие припойных контактов между отдельными компонентами (то есть их сближение), что ведет к увеличению выходной мощности и яркости излучения. Ключевым моментом для получения высококачественных интегрированных ГС является необходимость получения резких профилей распределения легирующей примеси и высоколегированных слоев туннельных переходов. При этом ведущим требованием к легирующей примеси является низкое значение коэффициента диффузии для предотвращения размытия заданного концентрационного профиля. В технологии МОС-гидридной эпитаксии (МОСГЭ) в качестве примеси n-типа повсеместно используется кремний, удовлетворяющий требованию низкого коэффициента диффузии и высокой растворимости в соединениях А В . В то время как, наиболее распространенная примесь р-типа проводимости, цинк, не позволяет решать задачи по созданию ГС с несколькими p-n-переходами ввиду большого значения коэффициента диффузии. По этой причине, в данной работе основной легирующей примесью р-типа выбран углерод, благодаря меньшему значению коэффициента диффузии (для GaAs при Т=770С Dc=2xl0"16 см2/с, a DZn=6xlO"14 см2/с) и возможности получать легированные слои с р> 1020 см"3. В качестве источника углерода в МОСГЭ хорошо
зарекомендовал себя тетрахлорид углерода CCU [4]. Однако его применение имеет
свою специфику. В процессе легирования протекают побочные реакции основных реагентов с хлор содержащими компонентами, уменьшающие скорость роста эпитаксиальных слоев (ЭС). При этом единое мнение относительно процесса травления GaAs при легировании ССІ4 в настоящий момент не сформировано. В связи с этим, для получения ГС с несколькими p-n-переходами актуальным является изучение процесса легирования тетрахлоридом углерода.
Дополнительно создание интегрированных ГС с несколькими р-n переходами осложняется необходимостью учета внутренних упругих напряжений, существенно увеличивающихся с ростом общей толщины ГС. Так, для лазерных излучателей спектрального диапазона 850-1100 нм в настоящее время широкое распространение нашли ГС InGaAs/AlGaAs/GaAs [5]. Для получения излучения в указанном диапазоне длин волн используют напряженные квантовые ямы InGaAs/AlGaAs. Небольшие изменения состава и толщины КЯ во время эпитаксиального роста, увеличение внутренних напряжений в случае использования множественных КЯ и формирования нескольких излучающих секций могут приводить к превышению критических значений и релаксации напряжений с образованием дислокаций несоответствия. Возможным путем повышения технологической устойчивости процесса получения ГС с такими КЯ является использование дополнительных слоев GaAsP с напряжениями противоположного знака (растяжения), компенсирующие напряжения сжатия в КЯ InGaAs [5]. При этом компенсирующие слои не должны ухудшать качество гетерограниц и не способствовать образованию промежуточных слоев с неконтролируемым составом. Ведущую роль в получении КЯ с заданными свойствами играют условия процесса эпитаксии и способы компенсации возникающих напряжений. Для этого необходимо учитывать границы устойчивости КЯ и выявить влияние компенсирующих слоев GaAsP с деформацией растяжения на процесс получения напряженно-сжатых КЯ InGaAs/AlGaAs методом МОСГЭ.
Цель и задачи работы
Целью данной работы являлось получение эпитаксиальных слоев (Al)GaAs
легированных углеродом, формирование напряженных квантовых ям InGaAs и гетероструктур InGaAs/AlGaAs/GaAs с несколькими p-n-переходами методом МОС-гидридной эпитаксии.
В соответствии с указанной целью были поставлены следующие задачи:
1. Исследование закономерностей легирования слоев (Al)GaAs с помощью тетрахлорида углерода в условиях МОС-гидридной эпитаксии.
-
Изучение влияния компенсирующих слоев GaAsP с деформацией растяжения на люминесцентные свойства напряженно-сжатых квантовых ям InGaAs/AlGaAs.
-
Получение методом МОС-гидридной эпитаксии гетероструктур InGaAs/AlGaAs/GaAs для мощных лазерных диодов спектрального диапазона 850-1100 нм.
-
Эпитаксиальная интеграция лазерных гетероструктур InGaAs/AlGaAs/GaAs.
-
Формирование п-р-п-р гетероструктур InGaAs/AlGaAs/GaAs для монолитной интеграции лазера и тиристора методом МОС-гидридной эпитаксии.
Научная новизна
-
Установлена граничная температура проведения процесса легирования эпитаксиальных слоев GaAs тетрахлоридом углерода, при которой наблюдается смена механизма снижения скорости роста.
-
Предложен эффективный способ компенсации упругих напряжений в квантовых ямах InGaAs/AlGaAs с помощью слоев GaAsP.
-
Определены оптимальные режимы процесса выращивания гетероструктур InGaAs/AlGaAs/GaAs с несколькими р-п-переходами, пригодные к созданию лазерных излучателей повышенной мощности и яркости на их основе.
-
Установлено, что в условиях МОС-гидридной эпитаксии возможно создание п-р-п-р гетероструктур InGaAs/AlGaAs/GaAs для функциональной интеграции мощных лазерных диодов с переключающим элементом.
Практическая ценность работы
-
Выявлены закономерности легирования углеродом GaAs с помощью ССІ4 и сопряженного с ним процесса травления в диапазоне температур 550-800С. Получен GaAs р-типа проводимости для сильнолегированных контактных слоев и туннельных переходов.
-
Создана методика управления упругими напряжениями в гетероструктурах InGaAs/AlGaAs, которая обеспечила получение сильнонапряженных квантовых ям InGaAs с высокими люминесцентными свойствами.
-
Разработан процесс получения эпитаксиально-интегрированных гетероструктур InGaAs/AlGaAs/GaAs с несколькими р-п-переходами методом
МОС-гидридной эпитаксии. На основе полученных гетероструктур изготовлены
излучатели спектрального диапазона Х=850-1100 нм с повышенной яркостью и выходной импульсной мощностью, достигающей 120 Вт для лазерных диодов и 2 кВт для решеток лазерных диодов.
4. Разработаны и получены методом МОС-гидридной эпитаксии эпитаксиально-интегрированные гетероструктуры лазер-тиристор. Созданные на их основе приборы продемонстрировали пиковую оптическую мощность Р=16 Вт при напряжении включения U=10 В и токе управления 1у=70 мА. Основные положения, выносимые на защиту.
-
Температура процесса легирования тетрахлоридом углерода эпитаксиальных слоев GaAs в условиях МОС-гидридной эпитаксии определяет механизм снижения скорости роста: при температурах ниже 580С доминирует обеднение парогазовой смеси исходным галлий-содержащим компонентом с образованием GaCl, а при температурах свыше 580С - гетерогенное травление поверхности GaAs с образованием летучего GaCb.
-
Разделение области компенсации упругих напряжений GaAsP и квантовых ям InGaAs позволяет увеличить в 2 раза интенсивность сигнала фотолюминесценции гетероструктур InGaAs/AlGaAs.
-
МОС-гидридная эпитаксия позволяет создавать гетероструктуры InGaAs/AlGaAs/GaAs с несколькими p-n-переходами для лазерных излучателей спектрального диапазона Х=850-1100 нм с повышенной мощностью и яркостью.
-
Эпитаксиально-интегрированные п-р-п-р гетероструктуры InGaAs/AlGaAs/GaAs обеспечивают возможность получения мощного лазера и тиристора в одном кристалле.
Личный вклад автора
Автор участвовал в постановке задач работы по теме диссертации, исследовании и получении ГС, измерении их параметров, обработке, анализе и обобщении полученных результатов. Им лично выполнены литературный обзор и представленные в диссертационной работе расчеты, необходимые для решения поставленных задач.
Апробация диссертации
Основные результаты работы были представлены и обсуждены на 14-th International Conference on Laser Optics (St. Petersburg, Russia, 2012), XV международной конференции «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и
наносистемы» (Ульяновск, Россия, 2012), 3-м Российском симпозиуме
«Полупроводниковые лазеры: физика и технология» (Санкт-Петербург, Россия, 2012), XVII международном симпозиуме «Нанофизика и наноэлектроника» (Нижний Новгород, Россия, 2013), 9-м Белорусско-Российском семинаре «Полупроводниковые лазеры и системы» (Минск, Беларусь, 2013 г.), 15th European Workshop on Metalorganic Vapor Phase Epitaxy (Aachen, Germany, 2013), XI Российской конференции по физике полупроводников (Санкт-Петербург, Россия, 2013), V-ой молодежной научно-технической конференции «Наукоёмкие химические технологии - 2013» (Москва, Россия, 2013).
Публикации.
По материалам диссертации опубликовано 17 печатных работ, из них 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, 13 работ в материалах научно-технических конференций.
Структура и объем диссертации.
